基于绝对节点坐标方法和SPH方法的充气薄膜空间结构展开动力学研究

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• 论文作者：侯伟亚 ; 刘铖
• 年：2016
• 作者机构：北京理工大学宇航学院飞行器动力学与控制教育部重点实验室;
• 论文关键词：绝对节点坐标方法(ANCF) ; 光滑粒子流体动力学(SPH) ; 充气薄膜空间结构
• 会议召开时间：2016-05-06
• 会议录名称：第十届动力学与控制学术会议摘要集
• 语种：中文
• 分类号：V41
• 学会代码：AGLU
• 会议名称：第十届动力学与控制学术会议
• 会议地点：中国四川成都
• 主办单位：中国力学学会动力学与控制专业委员会
• 学会名称：中国力学学会
• 页数：2
• 文件大小：802k
• 原文格式：D
• 会议级别：全国

摘要

充气薄膜空间结构具有折叠体积小、重量轻和展开可靠性高等优点,在航天领域具有广阔的发展前景。为精确描述薄膜结构展开过程涉及的大转动、大变形刚柔耦合运动,本文采用绝点节点坐标薄膜单元对充气结构进行建模,基于罚函数方法模拟薄膜结构间发生的复杂的接触/碰撞问题,并采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法描述充气展开过程中存在的非定常、可压缩气体。充气薄膜空间结构展开过程也存在复杂的气固耦合问题,在ANCF薄膜单元中面内引入SPH虚粒子,以传递气体粒子与薄膜结构之间的相互作用力,并防止气体粒子的穿透现象。同时,为了提高SPH粒子间与接触薄膜单元间的检测效率,分别采用层次包围盒技术与区域分解技术描述ANCF薄膜单元树形结构与SPH粒子分布信息。此外,联合广义α隐式积分算法与预估校正显式积分算法,对薄膜结构系统动力学方程与气体粒子Navier-Stokes动力学方程进行交替求解。为验证上述方法的正确性和有效性,分别模拟了含刚性与柔性边界的气体压缩过程,并与商业软件Fluent数值结果进行了对比研究。最后,基于上述算法预测了卷曲折叠充气薄膜管的展开动力学行为,揭示了其展开过程中涉及的刚-柔-气耦合动力学规律。

引文